Аппараты магнитной обработки воды. Проектирование, моделирование и исследование

С. Н. Антонов 
А. И. Адошев 
И. К. Шарипов 
В. Н. Шемякин 
 

 

 

 

 
АППАРАТЫ МАГНИТНОЙ  

ОБРАБОТКИ ВОДЫ. 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ, МОДЕЛИРОВАНИЕ  

И ИССЛЕДОВАНИЕ  

 

 

Монография 

 

 

 

 

 

 

 

Ставрополь 

«АГРУС» 

2014 

УДК 621.318.38 
ББК 31.2 
 
А72 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор кафедры физики 
ФГБОУ ВПО АЧГАА 
Н. В. Ксенз; 
 
доктор технических наук, профессор кафедры  
«Электроснабжение и эксплуатация электрооборудования» 
ФГБОУ ВПО СтГАУ 
В. Я. Хорольский; 
 
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры  
«Теоретические основы электротехники» 
ФГБОУ ВПО СтГАУ 
А. Ф. Шаталов 
 
 
 
Антонов, С. Н. 
А72  
 Аппараты магнитной обработки воды. Проектирование, моделирование 
и 
исследование 
: 
монография 
/ С. Н. Антонов, 
А. И. Адошев, И. К. Шарипов, В. Н. Шемякин. – Ставрополь : АГРУС 
Ставропольского гос. аграрного ун-та, 2014. – 220 с. 
ISBN 978-5-9596-0969-6 
В монографии изложены положения по проектированию, моделированию и 
исследованию аппаратов магнитной обработки воды. Рассмотрены способы водоподготовки в котельных, конструкции аппаратов. Приведены методы расчета 
магнитных полей. Представлена оптимизация конструктивных параметров аппарата с моделированием в программном комплексе ElCut. Проведены исследования эффективности обработки аппаратом магнитной обработки воды. 
Для инженерно-технических работников, магистров агроинженерных специальностей. 
 
УДК 621.318.38 
ББК 31.2  
 
 
 
 
ISBN 978-5-9596-0969-6 
 
 
© ФГБОУ ВПО Ставропольский государственный
 
 
 
 
аграрный университет, 2014 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Появление накипи на поверхностях теплоэнергетического оборудования обусловлено содержанием в воде минеральных солей магния и 
кальция. Этот аспект является наиболее актуальной проблемой в теплоэнергетике, промышленности и жилищно-коммунальном комплексе. Необходимо отметить, что слой накипи толщиной 1 мм приводит к перерасходу топлива на нагрев теплоносителя от 5 до 10 %. При эксплуатации 
системы теплоснабжения в течение длительного промежутка времени изза образования накипи, общие потери энергии могут достигать 60 %. Учитывая Федеральный закон №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные 
законодательные акты Российской Федерации», необходимо проводить 
мероприятия по ежегодной экономии энергетических ресурсов. Устранить 
проблему образования накипи, тем самым увеличить эффективность энергоустановки, возможно двумя методами: химическим (реагентным) и физическим (безреагентным).  
В основе химического метода лежит принцип ионного обмена. Недостаток метода – изменение химического состава воды. 
Из всех физических методов наибольшее распространение получил 
магнитный метод обработки.  
Процесс магнитной обработки водных систем до настоящего времени считается изученным не до конца и, соответственно, вопрос снижения 
накипеобразования с использованием магнитной водоподготовки не решен окончательно. В связи с вышесказанным, появляются новые теории 
процесса воздействия магнитного поля на воду, новые конструкции аппаратов магнитной обработки, способы определения эффективности воздействия на воду.  
Учитывая вышесказанное, при принятии решения о возможном применении той или иной технологической схемы водоподготовки, необходимо 
решить 
ряд 
задач. 
Эти 
задачи, 
часто 
носят 
научноисследовательский характер. Связано это, прежде всего, с подбором электромагнитных характеристик аппаратов эффективно воздействующих на 
воду. Свойства воды, как в течение года, так и в разрезе нескольких лет, 
не остаются постоянными, а изменяются циклично с возможными отклонениями как природные явления в целом. 
Предлагаемая монография рассматривает такие вопросы как: способы и технологические схемы водоподготовки; существующие аппараты 
магнитной обработки воды; методы расчета магнитных полей аппаратов; 
разработка, моделирование и оптимизация параметров аппарата магнитной обработки; проведение экспериментальных исследований аппаратов. 

1 ВОДОПОДГОТОВКА В КОТЕЛЬНЫХ 
 
СПОСОБЫ ВОДОПОДГОТОВКИ В КОТЕЛЬНЫХ 
 
Источниками водоснабжения отопительных котельных могут служить поверхностные воды озер, рек и искусственных водохранилищ, а 
также подземные воды из артезианских скважин. Поверхностные воды 
всегда содержат растворенные вещества и нерастворенные механические 
примеси. Подземные воды обычно бывают прозрачными и практически не 
содержащими механических примесей. Солесодержание подземных вод, 
как правило, выше, чем поверхностных. Наибольшее значение для водоснабжения котельных установок имеют поверхностные воды рек и озер. 
Расход и качество речной воды изменяется циклично не только по времени года, но и в многолетнем разрезе. В зависимости от характера использования воды различными потребителями определяются и показатели, необходимые для качественной и количественной характеристики воды. Одним из показателей воды для использования ее в водогрейном оборудовании является жесткость. 
Общей жесткостью воды Жо называется суммарная концентрация 
ионов кальция и магния, выражаемая в мг-экв/кг, а при малых значениях- 
в мкг-экв/кг. По определяющему катиониту общая жесткость воды подразделяется на кальциевую ЖCa и магниевую ЖMg [93]. Часть общей жесткости, эквивалентная концентрации бикарбонат–ионов в воде, называется 
карбонатной жесткостью Жк, а остальная часть, эквивалентная содержащимся в воде другим анионам (Cl-, SO4
2-, и др.), называется некарбонатной 
жесткостью Жнк. 
По значению общей жесткости (мг-экв/кг) природные воды классифицируются следующим образом: Жо<1,5 – воды с малой жесткостью; 
Жо=1,5-3,0 – воды со средней жесткостью; Жо=3-6 – воды с повышенной 
жесткостью; Жо=6-12 – воды с высокой жесткостью; Жо>12 – воды с очень 
высокой жесткостью. 
Возможность применения магнитной обработки, место установки 
аппарата и достигаемый эффект зависит от качества исходной воды. К качеству воды, подлежащей обработке, предъявляются определенные требования, вода не должна содержать механических примесей больше установленных норм и агрессивную двуокись углерода. Присутствие в воде 
агрессивной двуокиси углерода снижает противонакипный эффект пропорционально ее концентрации из-за снижения пересыщения. При концентрации агрессивной двуокиси углерода 10-15 мг/кг, противонакипный 
эффект снижается на несколько процентов, а при концентрации 30 мг/кг 
уменьшается не менее чем вдвое. Наибольшее снижение эффекта происходит при прямоточной системе движения воды (котлы, теплообменники). 

В циркуляционных системах охлаждения при многократном контакте воды с магнитным полем присутствие агрессивной двуокиси углерода заметного влияния на эффект омагничивания не оказывает.  
Вопрос о необходимости предварительной декарбонизации решается 
конкретно для каждой установки. Если в ходе производственного процесса происходит снижение концентрации двуокиси углерода, то магнитный 
аппарат устанавливают в том месте, где агрессивная двуокись углерода 
отсутствует или количество ее минимально. 
Снижение общего количества двуокиси углерода, в том числе и агрессивной, может быть достигнуто продуванием через воду воздуха или 
ее подогревом до температуры 40-50 0С. В тех же случаях, когда такую 
обработку провести не представляется возможным, изменение концентрации двуокиси углерода может происходить при нагревании воды в замкнутой системе. 
Обязательным условием при обработке воды является карбонатная 
жесткость. При значениях до 1,5 мг-экв/л применение магнитного поля 
малоэффективно и не целесообразно. Снижение противонакипного эффекта наблюдается в весенний период, когда поверхностные воды разбавлены талой водой. В летний период эффект улучшается и достигает максимума в зимнее время – в период наибольшей концентрации солей, что 
связано с состоянием системы, близкой к пересыщению. 
Для промышленных котлов с рабочим давлением до 15 атм. при докотловой обработке, общая жесткость питательной воды не должна превышать 0,7 мг-экв/л. При внутрикотловой обработке общая жесткость питательной воды не должна превышать 5 мг-экв/л. 
Многообразие примесей в природной воде служит причиной того, 
что очистка добавочной воды, для подпитки котлов на водоподготовительной установке организуется в несколько этапов, согласно [112]. На 
первом этапе методом осаждения из воды выделяются грубодисперсные 
вещества. Окончательная очистка от осадка осуществляется при помощи 
процесса фильтрования: 
- 
через однослойные механические фильтры с загрузкой антрацита крупностью 0,5 - 1,2 мм для вод с содержанием взвешенных веществ до 50 мг/кг; 
- 
через двухслойные механические фильтры с загрузкой кварцевого песка крупностью 0,5 - 1,2 мм и антрацита крупностью 0,8 - 1,8 мм 
для вод с содержанием взвешенных веществ до 100 мг/кг. 
Если очистка воды от грубодисперсных примесей, имеющих заметный гравитационный эффект, может быть осуществлена обычным отстаиванием, то выделение коллоидно-дисперсных веществ из воды требует 
применения процесса коагуляции. Под коагуляцией понимают физико

химический процесс слипания коллоидных частиц и образование грубодисперсной фазы с последующим ее выделением из воды. 
Для улучшения работы ионообменной части водоподготовительных 
устройств, применяется известкование воды. В настоящее время основное 
назначение известкования - снижение бикарбонатной щелочности воды. 
Одновременно с этим уменьшаются жесткость, солесодержание, концентрация грубодисперсных примесей. 
Вода, прошедшая предочистку, практически не содержит в себе грубодисперсных примесей и, в значительной степени, освобождена от коллоидных. Однако, основная часть примесей в растворенном состоянии остается в воде и должна быть удалена из нее. В настоящее время для этого 
применяют ионный обмен. Сущность ионного обмена заключается в использовании способности некоторых специальных материалов (ионитов) 
изменять в желаемом направлении ионный состав примесей воды. 
В технологии водоподготовки для удаления ионов из воды, применяют два процесса [133]: катионирование - удаление катионов и анионирование - удаление анионов. Процессы ионирования осуществляют в различных аппаратах, но наибольшее распространение получили насыпные 
ионитные фильтры. 
Na-катионирование – это процесс применяется для умягчения воды 
и имеет самостоятельное  значение при подготовке воды с малой щелочностью для котлов низкого давления и подпитки теплосетей. Воду пропускают через слой катионита. При этом процессе происходит удаление 
из воды ионов Ca2+ и Mg2+ в обмен на эквивалентное количество ионов 
Na+. 
H-катионирование – это процесс удаления всех катионов из воды с 
заменой их на ионы водорода. Оно применяется в схемах совместно с другими процессами ионирования для подготовки воды из артезианских или 
поверхностных вод при необходимости снижения относительной щелочности. 
В последнее время получил распространение метод подготовки воды 
комплексонатами. Для обработки воды применяется ингибитор коррозии 
ОЭДФ-Zn. Его применение позволяет получить следующие результаты: 
- защитить сталь от коррозии; 
- постепенно отмыть существующие отложения; 
- предотвратить образование новых накипей. 
Данная технология получила распространение в Ростовской области 
и Ставропольском крае. 
В настоящее время наиболее перспективным является обработка воды в магнитном поле. Магнитный метод водоподготовки основан на явлении того, что вода после воздействия на нее магнитного поля при последующем ее нагреве в котле не дает накипных отложений на поверхности 

нагрева. Некоторые соединения кристаллизуются на поверхности нагрева, 
образуя накипь. Центрами накипеобразования являются шероховатости 
поверхности нагрева [135]. В результате магнитной обработки соли жесткости выпадают в виде шлама и должны непрерывно удаляться из нижних 
точек котла. 
 

 
Рисунок 1.2 – Классификация способов водоподготовки 
 
На рисунке 1.2 представлена классификация способов водоподготовки. 
На рисунках 1.3, 1.4, 1.5 представлены гистограммы, которые позволяют оценить степень накипеобразования, коррозии и стоимости подготовки 1 м3 воды. 
 
 
 
 

Метод 
ионного 
обмена 

Метод мембранной очистки 

Обработка 
воды в магнитном поле 

Обработка комплексонатом  

Обработка 
воды в   акустическом поле

Предварительная   очистка воды 

Метод осаждения 
Метод фильтрации 

Коагуляция 
Известкование 
Магнезиальное обескремнивание 

Обработка воды 

ПОДПИТОЧНАЯ ВОДА

ПОДГОТОВЛЕННАЯ ВОДА

0

20

40

60

80

100

120

1
2
3
4
5

 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 1.3 – Гистограмма накипеобразования относительно исходной воды:  
1 – образование накипи при применении исходной воды; 2 – осаждение накипи 
при подготовке воды по схеме одноступенчатого Na- катионирования;                    
3 – накипь в результате обработки воды по схеме двухступенчатого Na- катионирования; 4 – выделение накипи при подготовке исходной воды комплексонатами; 5 – наслоение накипи при магнитной обработке воды 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 1.4 – Гистограмма коррозии относительно исходной воды: 1 – коррозия 
при использовании исходной воды; 2 – коррозия в результате подготовки воды 
по схеме одноступенчатого Na- катионирования; 3 – коррозия при подготовки 
воды по схеме двухступенчатого Na- катионирования; 4 – коррозия при подготовке по схеме двухступенчатого Na- катионирования + деаэрация; 5 – коррозия 
при подготовке воды комлексонатами; 6 – коррозия при магнитной подготовке 
воды 
 
Подготовка 1 м3 воды с использованием Na- катионирования обходится в настоящее время 17-21 руб., а обработка воды комплексонатами 
стоит 2,03 руб. Себестоимость магнитной обработки 1 м3 воды не превышает 0,1 руб. 
 
 
 
 

0

20

40

60

80

100

120

140

1
2
3
4
5
6

% 

% 

Рисунок 1.5 – Гистограмма стоимости подготовки  1м3 воды: 1 – двухступенчатое 
Na- катионирование; 2 – подготовка комплексонатом в водогрейных котельных; 
3 – подготовка комплексонатом в паровых котельных; 4 – подготовка воды в 
котельных с магнитной обработкой 
 
Статистическое исследование применения различных способов водоподготовки на котельных Ставропольского края и КарачаевоЧеркесской Республики дало результаты, приведенные на рисунке 1.6. 

1%
7%

20%

72%

 
Рисунок 1.6 – Круговая диаграмма способов водоподготовки на котельных 
Ставропольского края и Карачаево-Черкесской Республики: 1% – ОЭДФ-Zn, 
7% – магнитная водоподготовка, 20 % – химводоподготовка, 72% – без предварительной подготовки 
 
 

0

20

40

60

80

100

120

1
2
3
4

% 

1.2 ПРОЦЕСС ВОЗДЕЙСТВИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ВОДУ 
 

Накопленные научные знания не дают однозначного ответа на вопрос о влиянии магнитного поля на физико-химические процессы, происходящие в водных растворах. Однако, можно считать установленным, что 
магнитное поле оказывает определенное влияние на кинетику кристаллизации, вызывая увеличение концентрации центров кристаллизации в массе 
воды, вследствие чего вместо накипи образуется взвесь (шлам). 
Процессы, протекающие в воде при наложении магнитного поля, 
можно представить следующим образом, при прохождении воды через зону обработки магнитным полем и наличии ферромагнетиков в пересыщенном по накипеобразователю растворе (воде), образуются зародыши 
центров кристаллизации. 
Тебенихин Е.Ф. совместно с Кишневским В.А. провели детальное 
исследование механизма образования центров кристаллизации в присутствии окислов железа [135]. Эти окислы под воздействием магнитного поля в зоне обработки аппарата укрупняются до размера больше критического  для данного пересыщения и адсорбируют избыток кристаллизующегося вещества (накипеобразователя), превращаясь в затравку. Понятием 
критический характеризуется размер частиц (около 0,5 мкм), выполняющих роль центров кристаллизации. 
Центром кристаллизации может быть частица той же природы, что и 
накипеобразователь, любая другая изоморфная с последним частица. 
Кристаллизация происходит значительно быстрее и легче, если в 
растворе 
уже 
существует 
твердая 
поверхность. 
По 
данным 
Р.Ф. Стринклер-Констэбл, выделение твердой фазы на готовой поверхности протекает значительно легче, так как энергия, необходимая для этого, 
меньше, чем для возникновения зародыша в объеме раствора. Поверхностью, на которой происходит кристаллизация, может служить не только 
кристалл данного вещества, но и любой другой предмет, на котором возможна адсорбция ионов или молекул, находящихся в растворе. Механизм 
процесса, в этом случае, может быть представлен следующим образом. 
Частицы вещества адсорбируют на своей поверхности молекулы или ионы 
кристаллизующегося вещества, в результате чего образуется адсорбционный слой. Этот слой постепенно уплотняется и превращается в слой кристаллического вещества. Дальнейший рост происходит за счет растворенного вещества, кристаллизующегося на поверхности частицы. Центром 
кристаллизации может служить частица размером несколько больше критического для данного пересыщения, состоящая из кристаллизующегося 
вещества, изоморфного ему, или любое другое образование, способное адсорбировать выделяющееся вещество. Частицы, выполняющие роль цен